基于云计算的无人机输电线路架空地线断股故障修复系统.pdf

中国新技术新产品2024 NO.1（下）-20-高 新 技 术由于电网、土地和检查设备的位置限制，一些常规检查并不能有效地发现输电线路的隐患。因此，需要仔细且频繁地监测，才能保证电力系统正常运行1-2。在该背景下，设计一个输电线路架空地线断股故障修复系统显得非常重要。部分学者已开展研究，并设计了一种输电线路自动验证系统。该系统利用无人机摄像机拍摄线路的图像，并利用图像识别方法实现线路故障的修复。但因其适用性相对较差，且 K-means 算法预测精度低、数据分类精度不高，严重影响了输电线路信息的质量3。针对上述技术的不足，本文提出了一种基于云计算的无人机输电线路架空地线断股故障修复系统。1 基于云计算的无人机输电线路架空地线断股故障修复系统设计1.1 硬件设计该无人机装备了一款名为 Erle Brain2 的飞行控制器，该控制器内置了 900 MHz、型号为 ARM Cortex-A7 的核心处理器。它包括一个飞行控制单元，用于基本的飞行控制运算以及一个支持计算机系统，负责图像处理和传输。此外，控制器还包括惯性测量单元、高度计和卡尔曼滤波器，用于信号处理。该无人机还配备了全球卫星导航天线，其定位误差仅为1 m。在监控模式下，无人机通过SJ4000 Turnigy HD ActionCam 1080P 摄像机采集 1 920 px 1 080 px的视觉数据。这些数据通过传输线路传送，并存储在 16 GB的内部存储器中，定期作为数据包发送至相关计算机以进行处理4。为了实现这一过程，无人机装备了一个 433 MHz 的发射/接收器和遥测无线连接系统以及一个 5 800 MHz 的发射/接收图像传输系统。无人机控制器和图像处理内部电路设计如图 1 所示。1.2 软件设计1.2.1 断股原因分析如果左架空地线的补偿偏移 49.5，那么线夹分布与地面支撑部件之间的距离将为 11 mm。计算结果和图纸显示，一旦支线悬挂的角度 50.5，地线（尤其是靠近悬挂线的部分）就可能会与铁塔接触。在地线修复过程中，地线绝缘子串的偏移情况如图 2 所示。地线悬垂绝缘子串风偏角如公式（1）所示。11H11 v/22 cos=arctan/2PPlTGWl+（1）式中：为系列风偏转角；为线角；P1为悬挂式隔振器；P 为悬垂线风压；lH为塔架的水平距离；T 为地线的纵向压力；为接地线和接地线的横截面角，=180-2；G1为悬浮线；W1为地线的重力；lv为塔架的垂直距离。根据公式（1），一系列地线悬挂的理论偏差角为 74，在年度平面模式下，躯干容器的角度为 38.3（T=20，V=0 m/s）。年平均工况下的地线绝缘子串偏移如图 3 所示。基于云计算的无人机输电线路架空地线断股故障修复系统周红亮1孔志战1李宏军1顾燕丰2王梅梅2（1.国网陕西省电力有限公司，陕西 宝鸡 721000；2.江苏华成协弘科技有限公司，江苏 无锡 214400）摘 要：为有效提升输电线路的安全性，本文设计了基于云计算的无人机输电线路架空地线断股故障修复系统。在硬件方面，对无人机控制器和图像处理模块进行了电路设计；在软件方面，分析了地线断股的原因，使用无人机对输电线路进行故障定位，并建立了云计算平台，以实现无人机输电线路架空地线断股故障的修复。通过对比试验证明了系统的先进性，试验结果表明，该系统修复地线断股所用时间更短，系统性能更优越。关键词：输电线路；云计算；无人机影像；系统设计中图分类号：TM75文献标志码：A注：ARM CortexA7为控制器芯片；+1N为正极输出端；-1N为负极输出端；+VS为正电源；VS为负电源；VC为地线；C1、C2、C3、C4均代表电容器；C1主要用于滤除高频信号；C2、C3、C4主要用于扩展工作电压；R1、R2为电阻，主要用于限制电路中的电流流动；GND代表接地端。图 1 无人机控制器和图像处理内部电路设计分压电路供电模块ARM CortexA7RFID EM-18+IN18C1C2C4C3R1R21.0 F0.1 F0.1 F0.1 F765234-INGND+VS-VSGND+VS中国新技术新产品2024 NO.1（下）-21-高 新 技 术在年度运行条件下，使用了周期性环形循环的圆形圆弧。分析表明，基线之间、悬浮线、塔架外角和地线制动器之间的理论距离约为 141 m。然而，塔架外角地线悬架垂线上风变形角的理论计算与塔架的实际位置之间存在显著差异。从公式（1）可以看出，值和 T 值对悬架方向的风变形角度有显著影响，这与基于现场研究结果的线路旋转程度有关。塔的旋转角度和水平与设计值相符。风偏转角 TZ是导致悬架隔离线方向偏离的主要原因。塔的外角侧地线在不同工况下的运行参数见表 1。表 1 外角侧地线在不同工况下的运行参数运行工况风偏角/（）地线张力/N张力系数/%抢修后实际运行49.518 55020.0年平工况38.312 70613.7从图 3 可以看出，地线支架斜材有 2 个磨损缺口。尽管地面较高，但是地面片材仍被切割得较低，这使地线支架仍然能够安装在塔上。绘图计算表明，当外部转向导线温度较高时，根据设计参数确定接地线，悬架角度为 36.8，从最近点到地线的距离为 160 mm。实际故障程度低于设计预期，由于压力升高，地线外角与本体线的距离过近，因此在风力作用下，接地线与塔材之间发生重复摩擦，使架空地线和塔材同时发热烧损，最终导致地线断裂。1.2.2 使用无人机对输电线路进行故障定位在分析地线断裂原因的基础上，本文采用几何结构方法来识别输电线路架空地线的故障，这一步骤须确定每个图像的坐标轴。目标是找到一个包含 3 条以上直线的组合，以保证传输线的平行和稳定5。使用傅里叶变换（）提供的 P 和tan 参数，进行地形波动和相机体积干扰等值线的识别，本研究开发了专门用于图像识别技术的无人机。在调整传输线图像的过程中，利用不同角度和特定距离之间的几何关系来校正不利影响。每个参数之间的关系如公式（2）所示。ddadda111222costansincostansin?（2）式中：d1和 d2为中心传输线与左右传输线之间测量的真实距离，其中无人机的平面和传输线的平面平行；d1和 d2分别为无人机的视场一和视场二；为围绕相机 X 轴投影的角度；a1和 a2为实际点与传输线焦点之间的角度；为中心传输线与左右传输线之间测量的躯干距离。根据公式（2），当给定数据时，利用几何关系中的不同角度和特定距离的不同数据信息参数，在校正过程中定义传输线6。无人机在传输线的参考高度上捕获了多张图像，并从每张图像中提取关键点，随后，利用后续视觉数据辅助定位误差，直接测量这些关键点之间的距离。为了确定 H 的正确高度，笔者应用了反向线函数，该函数结合了测量距离、参考距离、参考高度以及无人机的高度，其定义如公式（3）所示。HhDdd?12sin?（3）式中：H 为反向线函数；h 为无人机基准距传输线的高度；D 为传输线的图像中以像素为单位的参考距离。通过计算，可以确定外部模式中参考坐标的轴，然后计算中心传输线的预期无人机位置，具体计算过程如公式（4）、公式（5）所示。xDatancos?（4）yDatansin?（5）式中：为无人机位置与坐标系 X 轴之间形成的夹角；a 为无人机围绕相机 z 轴的旋转角度。高斯概率密度函数与每个传感器相关联，具体位置如公式（6）所示。2=12+22+32 （6）式中：2为高斯概率密度函数与传感器之间的关联函数；12、22、32分别为每个传感器空间位置的测量值。本文涉及的误差定位无人机和传输线的上下比例是通过测量位置参数来确定的7。根据实际应用需要，本文提供的无人机误差定位方法能在不同时间条件下正常工作。在特定应用中，使用理论设置和角度测量来获取相关变量，从而得到理论参数，进而实现利用无人机对输电线路进行故障定位。1.2.3 基于云计算的无人机输电线路架空地线断股故障修复无人机输电线路架空地线断股故障修复涉及云计算技术。因此，在试验过程中需要建立云计算平台。本文选择Spark云计算平台作为执行平台。当使用Spark分析国家电网监控数据时，需要配置 Hadoop 环境，并安装 Spark 及其相关组件。云计算平台的 Hadoop 和 Spark 版本分别为 2.6.5 和1.4.1。将文件夹“t”复制到相应 verge 节点上的任意云计算平台上，并在 master 节点上启动 Hadoop，以验证 Hadoop 环图 2 地线修复时地线绝缘子串偏移地线悬垂串挂点地线悬垂线夹角位置地线支架角钢边缘地线悬垂线长49.511图 3 年平均工况地线绝缘子串偏移地线支架角钢边缘地线悬垂串挂点地线悬垂线夹角位置地线悬垂线长38.311中国新技术新产品2024 NO.1（下）-22-高 新 技 术境配置是否成功。这样可以对无人机输电线路架空地线断股故障进行修复，并将最终修复结果以可视化形式输出。在光电指标计算的基础上，笔者绘制了修复波形图，其结果可以量化，如公式（7）所示。HA?20amplitude（7）式中：H（）为波形修复函数；amplitude为原始电流行波的宽度和振幅之间的比例系数；A0为波形误差校正函数。如果高压输电线路上的所有波流数据都被纳入在公式计算中，那么系统就可以自动生成适当的修复波形。为了实现无人机输电线路架空地线断股故障的修复目标，还应该展示每个测量点的数据以及仪器的波形结果，并进行人工校正，以保证修复的准确性。2 试验论证为验证基于云计算的无人机输电线路架空地线断股故障修复系统的有效性，本文构建了一个适当的实验平台，并将所提出的方法与传统方法进行了对比试验，具体的试验步骤如下。2.1 试验准备为验证本研究中的无人机输电线路架空地线断股故障修复方法的可行性和有效性，在某市地方政府网络公司进行了案例研究。利用 MATLAB 仿真软件搭建了试验平台。在试验过程中，综合使用了监测数据、线路状态分析信息以及决策分析与支持作为基础数据，并通过数据库进行数据的连接和传输。试验体系的最高管理中心负责接收模拟数据，并将这些数据存储在数据库服务器中。通过远程管理的方式，可以计算和分析这些数据，以模拟和管理输电线路的运行状态。在本试验中，还使用了误差检测装置对某市郊区中段 2022 年以来的数条输电线路进行了运行状态的检测。所收集的数据涵盖了 2023 年 13 月输电线路的运营情况。具体的输电线路试验数据见表 2。表 2 输电线路试验数据线路段型号线路截面/mm2额定电压/kV安全电流/A直流电阻/km-11630351 1280.028 82500359890.036 63400358730.047 04300357580.060 15240356670.075 46185355710.099 17150355040.124 0表 2 描述了不同路段的输电线路额定电压、安全输送电流等参数，笔者利用这些试验数据建立了试验数据库，并在此基础上进行了后续的试验操作。目的是测试对输电线路图像噪声进行滤波处理的有效性。有效性指标是指在规定的检测时间段（9:0018:00），对#3 段输电线路进行检测和图像噪声滤波处理的程度。为了进行这项研究，笔者首先在MATLAB 仿真软件中构建了一个参数数据信息模型，并将不同的参数应用于该模型。随后，利用 MATLAB 仿真软件建立了包括输电线路综合监测数据信息、线路状况分析信息以及决策分析与支持系统的综合数据模型。在仿真过程中，从数据库服务器中提取了不同的数据信息，并进行了存储和处理。在试验中，将本文研究的系统与传统方法 1 和传统方法2 进行了性能比较。这 3 种方法都用于对输电线路架空断股地线的故障修复。笔者进行了 3 次试验，并计算了平均修复时间。2.2 试验结果分析笔者进行了 3 次试验，并计算了平均修复时间。具体的试验结果见表 3。表 3 平均修复时间测试结果对比试验次数传统方法1故障修复时间/h传统方法2故障修复时间/h本文方法故障修复时间/h11.322.540.2221.642.650.2331.642.950.33根据表 3，笔者得出结论：本文设计的系统在修复输电线路架空地线断股故障过程中，所需时间相对较短。与传统方法 1 相比，修复时间缩短了 1.53 h；与传统方法 2 相比，修复时间则缩短了 2.52 h。这表明本文设计的系统在性能方面更优越，实际应用价值更高。3 结语本文将云计算应用于输电线路架空地线断股故障的修复过程中，设计了基于云计算的无人机输电线路架空地线断股故障修复系统，并从多个角度对该系统进行了验证。云计算技术的运用不仅为准确识别当前输电线路类型提供了技术支持，而且加快了输电线路故障修复的速度，具有一定研究意义。参考文献1 仝红菊，江峻毅，万国平，等.基于无人机影像的杆塔及挂线点高度空间测量方法 J.测绘通报，2023（增刊1）：76-79.2 许家文，雷家杰，刘小双，等.利用无人机对交流特高压输电线路电磁场强度实测 J.自动化应用，2023，64（15）：28-30，37.3 陈杰，朱仕焜，孙嫱，等.面向无人机前端轻量级应用的输电线路鸟巢智能检测 J.福州大学学报（自然科学版），2023，51（4）：539-546.4 张迪，夏立伟，胡洪炜，等.基于无线电能传输技术的无人机自主充、换电平台供电装置设计 J.电工技术，2023（5）：133-136.5 赵振兵，王帆帆，刘良帅，等.基于注意力特征融合 YOLOv5模型的无人机输电线路航拍图像金具检测方法 J.电测与仪表，2023，60（3）：145-152.6 周伟，王宁.无人机机载三维激光点云数据在电力线路规划设计中的应用 J.测绘与空间地理信息，2022，45（11）：242-244，248.7 李晨，郑万成，王娟娟，等.基于无人机倾斜摄影技术的架空输电线路导地线弧垂测量系统研究 J.智能建筑与智慧城市，2022（10）：24-26.